满别公路水泥稳定碎石抗弯拉强度试验研究

马 强,张 锋,张登峰

(1.锡林郭勒盟乾图交通设计有限责任公司，锡林浩特 026000；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

建设中的国道331线满都拉图至别力古台段公路一期工程，位于锡林郭勒盟苏尼特左旗和阿巴嘎旗境内，起点位于苏尼特左旗满都拉图镇西侧，终点止于别力古台镇西侧，路线全长118.2 km，采用一级公路标准建设，设计行车速度100 km/h，主线路面层结构组合形式为：20 cm筛分碎石垫层+36 cm水泥稳定碎石底基层+18 cm水泥稳定碎石基层+7 cm SBS改性沥青混凝土下面层+5 cm SBS改性沥青混凝土上面层。

《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)对水泥稳定碎石基层配合比设计指标中的抗弯拉强度提出了要求[1]，虽然未明确具体的数值技术指标。由于水泥稳定碎石属于半刚性材料，其抗弯拉强度远远小于无侧限抗压强度，《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中抗弯拉强度的试验方法有直接抗拉强度、间接抗拉强度和弯拉强度三种试验方法[2]。该文通过非标准小梁试件的弯拉试验来测定水泥稳定碎石的抗弯拉强度，分别研究水泥剂量、养生龄期对水泥稳定碎石弯拉强度的影响[3]，为该项目水泥稳定碎石配合比设计试验提供数据支撑，并为生产配合比验证提供参考。

1 原材料性能

1.1 碎石集料

水泥稳定碎石基层用集料采用苏尼特右旗满都拉图建筑石料有限公司生产的花岗岩碎石，采用两级破碎、两级过土除杂工艺轧制，既保证基层集料的颗粒形貌符合要求，又从源头管控母材料源及碎石生产流程，保证用料质量。该项目基层碎石粒径分为19～26.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0～2.36 mm等五种规格，经检测，基层碎石集料性能试验结果如表1、表2所示。

表1 粗集料性能试验结果

表2 细集料性能试验结果

1.2 水泥

水泥稳定碎石基层选用阿巴嘎旗冀东水泥厂的P.S.A32.5矿渣硅酸盐水泥，其主要性能见表3，技术指标符合GB175—2007《通用硅酸盐水泥》矿渣硅酸盐水泥性能要求。

表3 P.S.A32.5水泥试验结果

1.3 水

水泥稳定碎石的拌和用水采用当地饮用水，pH值7.1。

2 配合比优化设计及混合料基本性能

2.1 配合比优化设计

依据JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》对水泥稳定碎石配合比设计要求，选用C-B-1号级配范围作为该项目水泥稳定碎石基层的配合比调整控制范围[4]，以4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm三个筛孔为关键筛孔调整配合比，使4.75 mm通过率在级配范中值-4范围内，2.36 mm通过率在级配范中值-3范围内、0.075 mm通过率在级配中值-2范围内[5]。调整的基层合成级配见表4。

表4 集料筛分与合成级配

2.2 混合料体积性能与无侧限抗压强度

根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》重型击实丙法，进行水稳混合料击实试验，分别进行4.5%、5.0%、5.5%三个水泥剂量下的混合料击实，确定出不同水泥剂量下混合料最大干密度和最佳含水量。再根据所确定的最大干密度和最佳含水量，分别成型无侧限抗压强度试件，试件压实度按照98%控制，不同水泥剂量混合料重型击实结果及7 d无侧限抗压强度见表5。

表5 重型击实试验及7 d无侧限抗压强度试验结果

2.3 弯拉强度试验

2.3.1 试件成型、养生与试验准备

根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，采用轮碾压实法成型尺寸为100 mm×100 mm×450 mm的梁板试件，压实度按98%控制。成型时按照干密度和含水率分别计算不同水泥剂量下规定尺寸试件所需的混合料质量，以质量法来控制压实度。试件碾压至表面平整、密实，大致与试模顶面同高时为止。碾压成型结束后，将表面用塑料膜覆盖包裹严实，将试件连同试模用推车整体移入标养室(温度20 ℃、湿度95%)养生15 d后拆模，拆模完成后将试件继续留在标养室覆膜养生。试件养生到规定龄期后，用切割机将试件切割成40 mm×40 mm×200 mm的小梁试件[6]，试验采用澳大利亚IPC公司生产的UTM-100材料试验系统，三点弯曲加载模式。

2.3.2 弯拉强度试验结果计算

三点弯曲加载水泥稳定碎石小梁试件的弯拉强度按式(1)进行计算，不同水泥剂量下，标准养生龄期30 d和90 d的小梁试件弯拉强度结果见表6。

(1)

式中，Rs为弯拉强度，MPa；P为破坏极限载荷，N；L为有效跨径，L=160 mm；b为试件宽度，b=40 mm；h为试件高度，h=40 mm。

表6 不同水泥剂量下试件30 d及90 d弯拉强度试验结果

2.3.3 弯拉强度试验结果分析

水泥剂量直接影响着水泥稳定碎石基层的质量和使用寿命，水泥剂量过低，易导致基层强度不足，结构承载力差，网裂、坑槽、松散等早期损害频繁；水泥剂量过高，基层强度偏高、刚度大，易引发收缩开裂，导致基层横向裂缝频发，严重的会影响路面使用寿命[7]。表5试验结果表明，三种水泥剂量下基层混合料7 d无侧限抗压强度分别为4.5 MPa、5.1 MPa和5.71 MPa，满足《公路路面基层施工技术细则》中高速、一级公路基层范围控制在4.0～6.0 MPa的要求。

图1为在(20±2)℃温度下标准养生30 d和90 d，三种水泥剂量下试件的弯拉强度，图2为在(20±2)℃温度下标准养生30 d和90 d，三种水泥剂量下试件的弯拉强度变化趋势。

1)由图1弯拉强度试验结果可以看出：4.5%水泥剂量下，水稳试件30 d龄期和90 d龄期抗弯拉强度值分别为0.59 MPa和0.78 MPa，30 d龄期弯拉强度是90 d龄期的75.2%；5.0%水泥剂量下，水稳试件30 d龄期和90 d龄期抗弯拉强度分别为0.78 MPa和0.93 MPa，30 d龄期弯拉强度是90 d龄期的83.7%；5.5%水泥剂量下，水稳试件30 d龄期和90 d龄期抗弯拉强度分别为0.89 MPa和1.05 MPa，30 d龄期弯拉强度是90 d龄期的84.5%；说明水泥剂量越高，水稳碎石的抗弯拉强度越大，且弯拉强度增长速率越快。

2)由图2弯拉强度变化曲线结果可以看出：养生龄期相同(不论是30 d或者90 d)，弯拉强度随着水泥剂量的增加而增加，且与水泥剂量的增加呈良好的线性关系，相关系数均大于0.9。说明，在一定的水泥用量范围内，提高水泥剂量能够增强水稳混合料的粘结性，增加基层结构强度。

3 结 论

a.采用4.5%、5.0%及5.5%三种水泥剂量下基层混合料7 d无侧限抗压强度分别为4.5 MPa、5.1 MPa和5.7 MPa，满足《公路路面基层施工技术细则》中高速、一级公路基层强度范围控制在4.0～6.0 MPa的要求，实际施工过程中，可将水泥稳定碎石基层的施工水泥剂量波动范围控制在5.0%±0.3%之间。

b.随着水泥剂量和养生龄期的增加，水泥稳定碎石抗弯拉强度随之增加，在相同养生龄期和标准养生温度下，30 d龄期的4.5%水泥剂量弯拉强度为5.5%水泥剂量的56.2%，90 d龄期的4.5%水泥剂量弯拉强度为5.5%水泥剂量的74.3%。

c.水泥稳定碎石弯拉强度与水泥剂量具有良好的线性关系，相关系数均大于0.9。说明在一定的水泥用量范围内，提高水泥剂量能够增强水稳混合料的粘结性，增加基层结构强度。

d.非标准小梁试件和三点弯曲加载模式的弯拉试验方法是可行的，试验结果可作为水泥稳定碎石配合比设计技术参数。

[1] JTG/T F20—2015,公路路面基层施工技术细则[S].北京:人民交通出版社，2009.

[2] JTG E51—2009,公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].北京:人民交通出版社，2009.

[3] 李玉华，徐 静.水泥稳定碎石抗弯拉强度的试验分析[J].沈阳大学学报(自然科学版),2013，25(5)：403-406.

[4] JTG D50—2006,公路沥青路面设计规范[S].北京:人民交通出版社，2007.

[5] 马 强，王金财，张登峰.S101线抗裂型水稳碎石基层配合比设计与施工技术[J].建材世界,2017，38(2)：39-43.

[6] 徐 静.水泥稳定碎石基层抗弯拉性能试验研究[D]．大连：大连理工大学，2013.

[7] 曹德金，熊 浩.抗裂嵌挤型水泥稳定碎石基层的强度影响因素研究[J].公路工程，2013(2)：108-110.